激光声遥感技术

1、Laser-acoustic Remote SensingTechnology 引言 激光致声原理与过程 水声信号的激光检测 总结激光声遥感技术要点激光声遥感技术要点引言引言 激光声遥感技术结合了激光技术、水声技术，信号处理等技术，为航空遥感水下目标提供了新的思路。该技术相比于其他水下探测技术具有快速、高效等特点，因而对其研究具有重要意义。 三种宏观物理机制：热膨胀、汽化、介电击穿 介电击穿的微观物理机制：多光子电离和雪崩电离 激光声的产生过程：几个阶段 关于如何控制激光脉冲 激光致声原理激光致声原理 激光在液体中击穿的物理机制主要是雪崩电离与多光子电离。其中多光子电离是一种非线性的光学过程，

2、仅发生在高能量辐射和波长为近红外或更短的区域内。激光脉宽小于40fs时，多光子电离在整个过程中起主导作用，当脉宽大于40fs时，雪崩电离就在介质击穿过程中占据主导地位。激光脉冲越短，多光子电离就显得越重要。对于100fs的脉冲，多光子电离一直在击穿前期起着主导作用，直到接近击穿阈值的时候，雪崩电离才变得显著。对于ps级脉冲来说，由于脉宽很窄，必须提高光强，雪崩电离才能在脉冲时间内击穿介质。 任何一种电离机制产生的自由电子都会对激光产生强烈的吸收。激光通过产生自由电子以及对自由电子加速将能量耦合到介质中。自由电子获得能量以后又通过碰撞等离子体中的重粒子，导致原子跟离子的加热。显然碰撞复合以及等离

3、子体的加热与激光的脉宽成正比，而电子冷却时间仅为几个ps。当等离子体的能量达到一定程度之后就会发生爆炸，并产生近场的冲击波，该冲击波在声场的远场衰变为普通的声波。这就是激光介电击穿液体致声的物理机制。 激光致声过程分为了几个阶段，即等离子体腔形成阶段、自由电子转变为重粒子能量的豫弛阶段、之后形成等离子体膨胀声波、然后是等离子体膨胀与空泡分离阶段，最后产生空泡溃灭声波。由激光致声的物理机制不难理解上述的几个过程。 研究结论：激光能量越大，相应的水声信号强度越高；激光脉宽越大，光声信号的频率峰值越低，但是激光能量对光声信号频率的峰值没有影响。即通过控制激光的脉宽可以得到具有不同频谱的水声脉冲信号。

4、 激光水下致声规律 由折射定律可知当水下声信号入射角在90度内变化时，折射出水面的声波信号集中于26.4度的圆锥角内。这实际上实现了一种压缩压缩。水声信号的声检测 需要指出的是：上述结论中声音集中于26.4度圆锥角的计算是假设水表面法线方向垂直而得到的，如果在海浪的影响下水表面法线不再垂直，则折射出水表面的声波也无法保证集中于26.4度圆锥角内部。 局限性：空气中声速低、水声信号在经过水-空气界面时衰减大。水声信号的激光检测 水下目标声波到达水-空气界面时，会引起水表面的波动，该波动使从空中射向水表面的光束发生散射，从而导致进入光接收机孔径的光通量发生变化。若将此光信号转换为电信号，则转换后得

5、到的电信号就携带了水声信号的信息。 目前水声信号的激光检测主要存在以下问题：首先当水表面存在波浪的时候，激光检测系统接收到的信号呈现出时断时续，幅度忽强忽弱的情况，影响检测。其次，实际应用系统多是收发同置的，这意味着激光检测系统工作于小角度发射光接收状态，此时水表面对光的反射率会降低，影响系统灵敏度。另外，目前光接收机能够接收到的最小可检测水声信号复制还太大。 针对海浪的影响应考虑适当增大接收孔径以及采用散射光接收技术，针对小角度接收时海水对光的反射率降低的问题应考虑增加检测激光器的功率，另外还需要采取措施降低光接收机的本底噪声，以进一步提高系统的灵敏度。 另外有文献指出当水下声信号为单频信号时，可以预期该信号引起的水表面扰动在一个周期内会发生往复振动，如果在水表面上一点接收该信号的话则在一个周期内会接收到两个光脉冲。即仅关心光脉冲的有无，而不关心其强度，这样就可以检测出水下声信号，具有较好的抗干扰能力。不过该前提是水下声信号为单频的，与实际还有一定差距。总结 综上所述，在激光声遥感技术实现的全过程中，光声换能的效率、声光检测的灵敏度是该技术能否实用的关键，也是需要继续努力的方向。可以预计，设计有效的高能激光器控制系统，使其脉宽甚至输出波长得以灵活的控制，将会产生更